【摘要】：激波加速兩種不同密度流體界面導(dǎo)致界面上擾動發(fā)展和失穩(wěn)的現(xiàn)象稱為Richtmyer-Meshkov界面不穩(wěn)定性(簡稱RMI)。在超新星爆發(fā)等天體物理問題和慣性約束熱核聚變等實(shí)際工程問題中,流體界面RMI現(xiàn)象往往發(fā)生在高能量密度下的等離子態(tài)介質(zhì)中,并由此引發(fā)系統(tǒng)的多物理耦合效應(yīng)。不同于電中性流場RMI,等離子體RMI擾動發(fā)展過程中會產(chǎn)生自生磁場,而自生磁場的存在使得等離子體RMI呈現(xiàn)出不同的流動現(xiàn)象。尤其是在慣性約束聚變問題中,RMI自生磁場可以通過抑制電子熱傳導(dǎo)影響聚變點(diǎn)火。盡管在外加磁場抑制等離子體RMI發(fā)展方面已有較多研究,且在Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性(簡稱RTI)誘導(dǎo)自生磁場方面已有少量理論研究,但對于等離子體RMI中的自生磁場問題,目前研究仍很薄弱,對RMI自生磁場產(chǎn)生的物理機(jī)制及其對流動的影響作用規(guī)律仍不是很清楚。本文針對等離子體RMI自生磁場問題,發(fā)展了基于雙流體模型的磁流體(Two-fluid Magnetohydrodynamics,,簡稱 Two-Fluid MHD)數(shù)值模擬方法,研制了雙流體MHD并行計(jì)算程序。進(jìn)一步,結(jié)合數(shù)值模擬和理論分析,研究了等離子體RMI自生磁場機(jī)制及其對流場演化的影響規(guī)律。主要研究成果有如下幾個(gè)方面:首先,本文基于離子和電子雙流體MHD模型發(fā)展了相應(yīng)的高精度數(shù)值方法和二維并行程序。等離子體數(shù)值模擬通常使用的是理想單流體MHD模型,但是單流體模型無法反映自生磁場效應(yīng),為此,本文發(fā)展了基于雙流體模型的數(shù)值方法和程序。針對RMI一類含有強(qiáng)間斷的激波-界面作用問題,本文構(gòu)造了一種結(jié)合傳統(tǒng)單調(diào)保持格式和分段拋物格式優(yōu)點(diǎn)的混合型高精度格式(Hybrid Monotonicity-Preserving Scheme,簡稱HMP5),在保持傳統(tǒng)MP高分辨率特性的同時(shí)顯示了很好的格式健壯性。另外,為考察雙流體MHD模型的適應(yīng)性問題,本文通過求解玻爾茲曼方程定量給出了 Euler方程和NS方程的有效尺度范圍,結(jié)果表明在目前問題尺度下雙流體MHD模型可以用來研究自生磁場問題。其次,本文通過理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合,闡明了等離子體RMI自生磁場的產(chǎn)生機(jī)制,推導(dǎo)給出了預(yù)測磁場峰值強(qiáng)度的理論模型。通過對雙流體MHD方程的分析可知,自生磁場產(chǎn)生的關(guān)鍵在于電子和離子的速度分離。由此,運(yùn)用激波關(guān)系式對激波過后的電子和離子速度進(jìn)行了分析,結(jié)果表明:激波過后電子和離子的速度分離正比于二者粒子質(zhì)量比的平方根。隨后,通過數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)在RMI后續(xù)發(fā)展的不同階段,電子離子速度差依然對自生磁場的演化起著關(guān)鍵的作用,電子離子速度差的分布決定了自生電場的分布,而自生磁場則為其在時(shí)間方向的積分量。為了探究自生磁場場強(qiáng)在演化不同階段所能達(dá)到的量級,本義通過法拉第電磁感應(yīng)定律結(jié)合流場動量方程,建立了一種單模態(tài)RM自生磁場場強(qiáng)峰值的預(yù)測模型。比對發(fā)現(xiàn),模型預(yù)測值與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好,顯示了模型的有效性。最后,本文考察了自生磁場對電子和離子流動的影響并分析了其作用機(jī)理。通過雙流體MHD數(shù)值模擬,對比研究了有無自生電磁場下的單模態(tài),多模態(tài),和多模態(tài)往復(fù)激波RMI。得出結(jié)論:對比沒有自生電磁場的情況,有自生電磁場作用時(shí),RMI電子混合區(qū)寬度增長明顯更快,且當(dāng)RMI發(fā)展一段時(shí)間后,電子擾動界面尖釘處會產(chǎn)生新的高頻擾動模態(tài)進(jìn)而使流場更快的發(fā)展出小尺度結(jié)構(gòu),而離子的運(yùn)動狀態(tài)區(qū)別不大。結(jié)合電磁場性質(zhì)分析得出:電子混合區(qū)增長加快是由于自生電場帶給電子和離子的耦合作用使得小質(zhì)量電子運(yùn)動趨從于離子運(yùn)動,相當(dāng)于電子受到離子電場力作用形成變加速RTI。而電子界面產(chǎn)生高頻擾動是由于尖釘附近的流向運(yùn)動電子在自生磁場洛倫茨力的作用下向尖釘兩側(cè)偏移并聚集,從而使得在部分電子的聚集處出現(xiàn)擾動波峰。本文較為系統(tǒng)地研究了等離子體RMI自生磁場問題,闡明了等離子體RMI誘導(dǎo)產(chǎn)生磁場的機(jī)制及自生磁場對界面不穩(wěn)定性發(fā)展的影響,促進(jìn)了多物理耦合條件下界面不穩(wěn)定性研究工作的發(fā)展,有著重要的科學(xué)意義和應(yīng)用背景。
【圖文】：

其中一個(gè)具體的應(yīng)用是將選定激波下的ＲＭＩ作為一種新的技術(shù)工具，逡逑用來實(shí)驗(yàn)評估材料在高壓下的屈服強(qiáng)度［８－１０］。ＲＭＩ現(xiàn)象在自然界和工程應(yīng)用中逡逑最為典型的例子，是超新星爆發(fā)（圖１．２）和慣性約束聚變（圖１．３）。當(dāng)大質(zhì)量逡逑的恒星到達(dá)演化晚期，元素的質(zhì)量越來越大，而大質(zhì)量元素聚變所提供的能量越逡逑來越少，當(dāng)靠核心聚變釋放的核能無法抵消巨大的向心引力，星體向核心塌縮，逡逑壓縮中心物質(zhì)形成中子硬核。外層物質(zhì)遇到堅(jiān)硬的中子核反彈引發(fā)爆炸使原本暗逡逑淡的恒星亮度大增，看起來像是在原本暗淡的位置產(chǎn)生了新的恒星，這個(gè)過程稱逡逑為超新星爆發(fā)。在超新星爆發(fā)過程中，外層層狀氣體之間會在爆炸沖擊波和一系逡逑２逡逑

ＲＭＩ可以看作是沖擊加速度下的特殊ＲＴＩ。逡逑ＫＰＩＱＰ逡逑圖１．２左圖：哈勃空間望遠(yuǎn)鏡觀測的蟹狀星云：１０５４年爆發(fā)的超新星殘余。右圖：模擬逡逑超新星爆發(fā)四個(gè)不同時(shí)刻的熵剖面（圖片來源：Ｂｕｒｒｏｗｓ，，邋２０００［１］）逡逑自然界和工程應(yīng)用情景中，廣泛而多樣地存在激波和流體界面相互作用而引逡逑起的界面不穩(wěn)定性。自然界中，激波掃過行星磁圈過程中會產(chǎn)生ＲＭＩ現(xiàn)象［２－３］。逡逑工程中，通常利用ＲＭＩ促使燃料和空氣充分混合，來提高超音速流動中沖壓噴逡逑氣式發(fā)動機(jī)燃燒室里燃料的燃燒效率［４－５］，同時(shí)沖擊波還可以用來和預(yù)混火焰相逡逑互作用［６－７］。近些年，固體－液體和固體－固體之間的ＲＭＩ也引起了研究人員廣泛逡逑地關(guān)注，其中一個(gè)具體的應(yīng)用是將選定激波下的ＲＭＩ作為一種新的技術(shù)工具，逡逑用來實(shí)驗(yàn)評估材料在高壓下的屈服強(qiáng)度［８－１０］。ＲＭＩ現(xiàn)象在自然界和工程應(yīng)用中逡逑最為典型的例子
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O53

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本文編號：2659947